涂层技术与现代切削刀具的互动发展

近几年来,在经济全球化背景下,我国的制造业获得了空前发展的机遇,而现代切削刀具成了提升制造业技术水平的关键因素之一,不断提高的切削加工要求和被加工材料的能级以及减少切削加工对环境污染等有力地推动了用于现代切削刀具涂层技术的发展.膜系材料多元合金化,涂层工艺组合的多样化中出现的TiAlN、TiAlCN、CrSiN等多元复合涂层和多层涂使刀具获得了高耐磨、低摩擦、热稳定性好和抗氧化能力强等良好的综合性能,大大提升了现代切削刀具的性能;纳米组分和纳米薄膜涂层的显微结构使得难加工材料的切削得到了新的解决办法;金刚石涂层和类金刚石涂层(DLC)在加工石墨零件和纤维增强等非金属材料和有色合金材料方面取得了良好的效果.为适应涂层工艺的发展,涂层的工艺装备亦实现了集成化、模块化和智能化.使涂层技术日趋个性化.涂层技术的发展也使现代切削刀具发展为一项高技术含量的产品,充分体现了两者发展的互动性.     

超硬纳微米 PVD 涂层技术在刀具领域的应用及研究进展

介绍了物理气相沉积(PVD)技术的原理、特点和真空蒸镀、溅射镀和离子镀之间的优缺点,从二元涂层、多元涂层、多层涂层和纳米多层复合涂层等4种类别上介绍了PVD涂层技术在切削刀具上的广泛应用。在查阅和整理大量文献资料的基础上,也结合笔者多年从事PVD技术的研究与应用心得,从提高切削刀具的寿命这一重要角度出发,阐述了国内外超硬纳微米PVD涂层技术在切削刀具应用领域的研究进展,并对多元涂层、多层涂层及涂层的纳米化也进行了较为详细地论述。切削刀具表面采用物理气相沉积涂层技术能使刀具获得优异的综合性能,从而显著提高切削刀具的使用寿命,降低生产成本,大幅提高机械加工效率。最后展望了物理气相沉积涂层技术未来将在超硬切削(包括模具钢、淬硬钢等硬度超过HRC55以上的铣削加工)、难加工材料切削(包括高温合金、钛合金、不锈钢等)、石墨和碳纤维等复合材料加工和有色金属的高速切削加工(包括铝合金、铜合金、镍等)的广泛应用。     

微米、纳米及微/纳米复合金刚石涂层的切削性能研究

利用化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法在硬质合金上制备纳米、微米以及微/纳米复合金刚石涂层,并进行了切削对比试验。通过测试已加工材料的表面粗糙度和金刚石涂层刀具前、后刀面磨损,对比分析了不同金刚石涂层的切削性能,同时总结了CVD金刚石涂层刀具的失效形式及机理。结果表明:纳米金刚石涂层刀具切削加工后的表面粗糙度值最小,Ra=0.942μm;微米金刚石涂层刀具切削加工表面粗糙度值最大,Ra=1.631μm;纳米涂层刀具的后刀面磨损最大,约为微米涂层的2倍,复合涂层的5倍;微/纳米复合金刚石涂层刀具膜/基结合力高,前、后刀面的金刚石涂层没有出现脱落,且刀具的磨损量较少;金刚石涂层刀具的主要失效形式是涂层的过早脱落,其失效主要是由金刚石涂层的残余应力大、涂层化学纯度低、内部产生微裂纹多,以及切削时表面粗糙度高、切削力大和刀具积屑瘤普遍等原因引起的。     

梯度掺杂和纳米多层调制类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用阴极电弧结合离子源辅助磁控溅射复合技术,充分利用薄膜组成多元化、晶体纳米化、组成和结构多层化、梯度化的优势,分别制备了多元素复合过渡层缓冲的钨元素梯度掺杂的和Cr元素纳米多层调制的类金刚石(DLC)薄膜,研究掺杂元素含量和调制层厚度对薄膜组成与结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。梯度掺杂、多元、多层结构降低了DLC膜和钢基体之间因组成和结构不同产生的应力,改善了膜基结合力,材料综合耐磨损性能大幅度提高。     

中科院宁波材料所在硬质防护涂层研究方面取得进展

正以三元TiAlN为代表的TiN基刀具防护涂层,由于具有硬度高、抗氧化好、高温时效硬化等优点,一直是国内外刀具涂层的主流产品。但是,该类涂层在切削时,由于摩擦系数较大,导致切削力大、切削温度高,工件表面光洁度差,不利于难加工材料(如钛、镍合金等)的切削加工或是普通材料的干式切削。近年来,VN基涂层由于具有显著的中高温自润滑能力,被广泛地引入到多元氮化物涂层(TiAlVN、AlCrVN)及纳米叠层式涂层(TiAlN/VN),获得了较好的     

CVD金刚石涂层硬质合金刀具研究进展

CVD金刚石涂层硬质合金刀具结合了金刚石和硬质合金的优异性能,是切削加工的理想材料,具有广阔的发展前景。当前限制CVD金刚石涂层刀具应用的主要问题是金刚石涂层与刀具基体之间的附着性能较差,其主要原因是粘接相Co对CVD沉积存在不利影响以及涂层与基体之间热膨胀系数存在较大差异。本文综述了提高界面结合强度和降低涂层表面粗糙度的方法,重点介绍了在界面添加过渡层来提高界面结合强度,并指出在硬质合金基体和CVD涂层之间添加过渡层和开发纳米CVD涂层是CVD金刚石涂层刀具今后的发展方向。     

金刚石涂层刀具加工石墨的切削性能

为充分对比不同类型金刚石涂层刀具的切削性能,定制几种不同类型金刚石涂层刀具进行等静压石墨切削加工,并与WC硬质合金刀具和TiAlN涂层刀具的切削情况对比,分析不同类型金刚石涂层刀具的涂层形貌、切削寿命、加工后的表面质量以及切削力。结果表明:制备的金刚石涂层刀具的涂层形貌主要为纳米晶和微晶,其寿命是硬质合金和TiAlN涂层刀具的10倍以上,且几种不同类型的金刚石涂层刀具寿命差异较小;金刚石涂层表面的晶粒细化可以降低加工表面的粗糙度和切削力,涂层脱落是金刚石刀具的主要磨损形式。      

金刚石涂层硬质合金刀具涂层的研究和应用进展

通过对硬质合金基体前处理,金刚石涂层形核、生长以及金刚石涂层刀具在加工高硅铝合金、特种石墨和复合材料等材料中的应用的研究分析,揭示出低的金刚石涂层与基体的结合力是涂层刀具失效的主要原因。特种石墨、高硅铝合金和复合材料具有不同的加工特性,加工对应材料所需金刚石涂层类型应有所区别,具有较高结合力的微米/纳米复合涂层是通用性较好的涂层。具有产能大、工艺稳定、刀具质量可靠、生产效率高的成套设备是未来金刚石涂层刀具生产装备的发展方向。     

CVD金刚石涂层刀具高速铣削加工石墨模具研究进展

介绍了模具石墨的性能特点和切削加工机理,指出了复杂结构电火花石墨模具铣削加工中的困难,提出了CVD金刚石涂层刀具的解决方案。在此基础上介绍了国内外CVD金刚石涂层刀具在石墨模具高速铣削加工的工艺特点以及加工中CVD金刚石涂层刀具的磨损机制和破损失效形式,并列举了CVD金刚石涂层刀具在石墨模具高速铣削加工的应用,指出CVD金刚石涂层刀具高速铣削加工可解决石墨模具难以加工这一难题,若能进一步解决CVD金刚石涂层刀具的膜-基结合力和表面粗糙度问题,预期CVD金刚石涂层刀具高速铣削加工石墨模具可得以广泛推广应用。     

刀具氮化物涂层的研究进展

综述了刀具氮化物涂层的研究进展及发展趋势,分析了制备多元多层氮化物涂层的物理沉积技术及其优劣势.指出刀具氮化物涂层的种类从单一的金属涂层发展到二元合金涂层,目前又朝着多元合金复合涂层发展;涂层的层数从单层发展到多层,而且各单层涂层的厚度将趋于纳米化.多元多层氮化物涂层是今后刀具涂层的研究热点.     

多弧离子镀TiAlSiN梯度涂层制备及切削性能

针对含Si超硬涂层与基体结合强度不足,切削过程中涂层易发生剥落从而导致涂层刀具切削性能低的问题,采用离子源增强的多弧离子镀技术在硬质合金刀具上制备了不同含Si层梯度结构的TiAlSiN梯度涂层。利用XRD、SEM、OM以及切削试验探讨不同含Si层梯度结构对涂层物相、表面形貌、膜基结合强度、摩擦磨损以及切削性能的影响。结果显示：不同含Si层梯度结构的TiAlSiN涂层主要由固溶的（Ti,Al） N和（Al,Ti） N相组成。其中,低Si直接过渡的TiAlSiN涂层（S3）呈现出较高的硬度、良好的膜基结合力、较低的涂层残余应力和摩擦因数。铣削结果显示,涂层刀具的切削磨损机理主要表现为粘着磨损。当切削速度为80 m/min时,低Si过渡涂层（S3涂层）表现出更高的切削长度（925 m）,显著高于S1涂层的525 m;当切削速度由80 m/min增加至110 m/min时,S3涂层切削长度增加到1650 m。对含Si刀具涂层进行梯度设计,可有效提高涂层的膜-基结合强度和涂层刀具的切削性能。     

刀具涂层技术及其发展

随着切削技术向着高速、高效、干式的方向发展,刀具涂层技术得到了广泛的应用,并成为了左右切削技术发展的主要因素。本文介绍了各种刀具涂层材料、刀具涂层结构和刀具生长工艺的研究现状。对刀具涂层的发展方向提出了个人见解。     

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

热障涂层是一种可以有效保障航空发动机涡轮叶片正常工作，同时显著提高其工作效率和服役时间的表面防护技术。热障涂层的性能在很大程度上影响叶片的承温和抗腐蚀能力，进而间接影响航空发动机的服役性能。涂层性能主要受其结构和材料2个方面的影响。介绍了涂层结构的优缺点和研究进展，当前常见的结构形式有双层结构、多层结构和梯度结构；介绍了粘结层材料的研究进展；对陶瓷层材料的研究进展进行了详述，如YSZ的掺杂改性、A₂B₂O₇型化合物、钙钛矿结构材料以及近年来兴起的几种高熵陶瓷材料，其中高熵陶瓷材料包括：高熵稀土钽酸盐、铝酸盐、锆/铪酸盐、磷酸盐、硅酸盐以及高熵稀土氧化物，分别从热导率、热膨胀系数、断裂韧性、热循环寿命和抗腐蚀能力等方面对其进行介绍；概述了热障涂层常见的几种失效形式如：TGO失效、CMAS腐蚀以及高温烧结，并且对其发生机理进行简要的介绍；展望了热障涂层未来的发展趋势和方向。     

钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的研究进展

针对钛合金在实际应用过程中存在硬度低、耐磨性差、高温易氧化以及生物活性低等问题,国内外学者利用陶瓷材料较高的硬度、优异的耐磨性和高温抗氧化性能的特点,以及激光熔覆技术可以实现涂层与基材的冶金结合,较高的冷却速率使涂层内部晶粒得到细化的优势,开展了钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的广泛研究。首先简要概括了钛合金表面激光熔覆陶瓷材料的特点,介绍了在激光熔覆过程中常见的陶瓷材料以及所具备的特殊性能。从陶瓷涂层制备方式和陶瓷材料体现的功能两个方面,综述了国内外的研究特点、现状和进展。对比分析了激光制备纯陶瓷涂层、激光制备陶瓷与金属合金复合涂层、激光原位合成陶瓷复合涂层、激光制备陶瓷梯度涂层的优缺点。介绍了在钛合金表面激光熔覆耐磨涂层、高温抗氧化涂层、耐蚀涂层和生物涂层的进展,分析了陶瓷材料在提高相关性能时所发挥的作用。最后针对钛合金表面激光熔覆陶瓷材料存在的问题,对钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层未来的发展趋势进行了讨论与展望。     

硬质合金刀具涂层技术现状及展望

随着切削技术的发展,硬质合金刀具涂层技术不断进步,正朝着涂层成分多元化、涂层结构多层化、工艺组合多样化和基体结构梯度化方向发展。本文对硬质合金刀具涂层方法和现状等进行了综述,展望了硬质合金涂层技术的前景和发展方向。     

高能束熔覆制备耐磨涂层技术研究现状与展望

耐磨涂层是指在材料基体表面涂覆具有高耐磨性的薄层,在保证涂层与基体之间具有足够的结合强度的同时,使基材表面达到耐磨的目的.高能束熔覆技术是一种高效、可靠的表面处理技术,在耐磨涂层的制备方面具有广阔的应用前景.从高能束熔覆技术、高能束熔覆制备耐磨涂层、耐磨涂层强化机制、耐磨涂层质量调控等四个方面,介绍了高能束熔覆制备耐磨涂层技术的研究现状.其中,在高能束熔覆技术方面,概述了以激光熔覆、等离子熔覆为代表的高能束熔覆的工作原理及特点.在高能束熔覆制备耐磨涂层研究方面,综述了Ni、Co、Fe基自熔性合金涂层及金属基复合涂层、梯度功能材料涂层的特点.在耐磨涂层强化机制方面,分析了涂层的磨损机理,同时讨论了添加硬质颗粒和元素对耐磨涂层性能的影响.在耐磨涂层质量调控方面,阐述了熔覆过程中工艺优化和数值模拟仿真对改善高能束熔覆技术成形工艺的作用.最后,总结了高能束熔覆技术在耐磨涂层制备上存在的问题,并提出了展望.     

镍基复合镀层研究的最新进展

与许多金属或合金镀层相比较,复合镀层具有耐磨性好、抗高温氧化性能好和电接触好等优点,其中,镍基复合镀层是研究最早、应用最广泛的复合镀层之一.综述了镍基复合镀层的沉积机理以及不同镍基复合镀层研究的最新进展,主要包括耐蚀和防护-装饰复合镀层、耐磨减摩复合镀层、抗高温氧化复合镀层、催化功能复合镀层等,并概述了其在不同工业中的应用.     

镁合金微弧氧化的研究现状

结合国内外镁合金微弧氧化机理的研究成果,重点介绍了镁合金微弧氧化的生长机理,利用光发射谱识别等离子体放电过程中的反应元素,并计算等离子体温度。对镁合金微弧氧化功能膜以及增强相对镁基复合材料微弧氧化陶瓷膜耐蚀性的影响作了简要介绍。概述了在镁合金微弧氧化过程中,不同体系的电解液各自具有的优缺点,及对陶瓷膜结构和性能产生的重要影响。添加剂可以提高电解液的导电性和稳定性,减小陶瓷膜的孔隙率。详细阐述了合金元素、电源类型、电参数和后处理封孔技术对镁合金陶瓷膜结构、形貌及性能的影响。基于镁合金微弧氧化技术的研究现状,对镁合金微弧氧化技术的研究方向进行了展望。     

钼及钼合金表面高温防护涂层的研究进展

系统总结了国内外关于钼及钼合金表面高温防护涂层的最新研究成果，分析了钼在不同温度区间的氧化特征，并基于涂层组织结构稳定性、涂层缺陷、涂层与基体界面结合强度、界面物理和化学相容性、氧扩散等多方面，概述了钼及钼合金表面高温防护涂层的性能要求。归纳了现阶段应用于钼及钼合金表面的高温防护涂层体系，主要包括单一硅化物涂层、改性的硅化物涂层、硅化物基梯度复合涂层、铝化物涂层、耐热合金涂层和氧化物涂层，重点讨论了涂层的成分和结构对其抗高温氧化性能的影响。同时，对比介绍了钼及钼合金表面高温防护涂层常用的制备方法，主要包括料浆烧结法、包埋渗法、等离子喷涂法、熔盐法、化学气相沉积法、磁控溅射法等。最后，对钼及钼合金表面高温防护涂层现阶段存在的问题及未来发展方向进行了展望。